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科研成果

中国5G实力再加码 首个并行多通道信道测试平台面世

时间:2016-08-08 09:45来源:中心 作者:中心 点击:

        通过3G、4G的不断突破,在5G研究上,中国的整体实力大大增强。日前,记者在上海举办的“第三届中国信息通信测试技术大会”上,见到了业界第一个正式推出的MIMO并行信道采集与信道仿真平台(目前实现八通道),借助这个平台,业界能够对5G关键技术MIMO的认识提升到新的水平。带着对MIMO并行信道采集平台研发难度、作用和目的以及下一步利用计划的好奇,记者专访了研制这一平台的上海无线通信研究中心主任杨旸。

为何做并行八通道信道平台

        业界对多通道技术(MIMO)已经形成基本共识,与以前大规模应用的单通道、双通道相比,8通道以上的MIMO技术对提高频谱利用率有非常明显的效果,将是5G规模应用的关键技术。

        业界也在纷纷推出相关设备,例如中兴已经推出64天线的MIMO设备,并积极推动这种MIMO设备进入中国移动的4G+网络;中国移动总裁李跃也在6月底的世界移动大会 上海展上表示,要在4G网络中加快引入像3D-MIMO这样的5G技术;今年4月份,大唐电信推出的256天线阵列设备,将MIMO技术推向新的高度。但与此同时,MIMO的信道模型建立都是通过单通道的仿真模拟出来的,多通道并行时真实的信道情况,还没有实测过。

        信道是无线通信的基础,对信道的理解越深,所做的编码、调制的效率就越高,会越逼近香农定理的理论线,而多通道的通信制式使信道变得十分复杂。”杨旸说,“5G研究中规定了许多新的场景,包括高速移动的高铁、地铁,大型体育场馆以及人流密集的集会场所等,这些场景复杂、具备挑战性,需要用MIMO支撑可靠的通信,而对多通道信道的理解如果只是通过理论推导而没有实测数据,是无法走向真正商用的,因为终端或者基站设备要在实验中进行验证,实测验证之后,我们对多通道通信信道的理解将提升到新的高度,也才能有信心推到商用中。”

平台搭建中遇到四个挑战

        为什么这个并行八通道的信道测试平台前后经历了两年时间才推出?杨旸告诉记者,该平台是通过将8个单通道集成后实现的,在这两年中,他们主要解决了四个挑战。

        一是多通道校准的挑战。与单通道不同,如何保持多通道中每个通道的一致性是业界碰到的共同难题。哪怕是同一家公司生产出来的产品,八个通道之间由于硬件的微小差异,常常导致不同信道的差别,只有将硬件差别产生的信道区别提前剔除,得到的数据才会是空间信道的数据,所以多通道的校准是第一个挑战。

        二是8通道“接收”、“发射”两端同步的挑战。测试中要保证所有的信号要同时发出,在接收端是同时收到。因为天线之间的距离是厘米级的,信号传到的时间差在100皮秒以内。所以只有同步精度低于100皮秒,才能区分出同样一个信号到达不同天线的时间,同步精度要求非常高。“我们利用高精度的铷钟时钟系统加上自己的同步算法,把精度做到了30皮秒。”杨旸说,“一般在光通信里需要做到皮秒,在无线通信里只要做到毫秒级就可以了。”

        三是测试数据存储的挑战。8通道有8个发射端和8个接收端,每个发射端对8个接收端,形成矩阵式的收发,实测中会产生64路数据。因此64路数据的同时存储和运算量非常大。“我们采用了计算机的一个ZERO COPY的技术,就是零拷贝技术,节约了存储时间,数据能够实时地不经过压缩地现场存储,这个数据流盘技术保证现场测出来的数据能够真实完整地保存。”杨旸认为这很重要,“把数据完整地保存下来,这就像拍一张高精度的照片一样,照片的精度越高,能够看清的环境细节越多,我们对信道的理解就会越深。”

        四是矩阵运算的挑战。因为从单通道的1×1变成8通道的8×8,矩阵数据使运算量大幅飚升,所以需要一个并行的后处理软件。“我们与同济大学尹学峰老师共同开发,把SAGE算法拓展到并行,从原来针对一路,拓展到针对8路,这样才能把信道之间的相关性,以及矩阵中隐含的相关信息提取出来,这比原来单通道测试复杂,也比原来对多通道系统的理解更深刻。”杨旸认为,就是因为对细节的把握和分析更准确,业界可以把多通道的这些优势利用起来,做得更准确。

完成多场景测试,开放共享数据

        目前设备商MIMO产品原型已经纷纷推出,但在信道建模上一直存在瓶颈,每个厂家也用不同的方法验证自己的技术,但还没有人把产品放在真正的环境下做充分验证。杨旸告诉记者,他计划将测量的数据向研究界开放,一方面是回馈整个研究界的支持,二是希望他们对这些数据有更多要求和反馈,以便更多地为他们服务。因为只有对数据有更多的要求,数据才越有价值。而且现在只是有了不同场景的测量数据,但在信道建模以及信道对各种设备和终端的影响研究上,还要借助国内更有优势的企业一起推进。

“        非常好的事情是已经有产品原型,接下来要进入痛苦的验证、迭代和修正的过程,我们这个平台可以把原来企业需要费时费力在不同场景下做测试,再到实验室修改的流程简化了。”杨旸说,“因为我们会把已经测好的各种场景的数据搬回到你的实验室,使企业的迭代和验证更加有效率,而那种在测试中发现问题再撤回设备的代价是非常高的,测试在产业成熟的过程中发挥重要作用,谁把问题解决在售前,谁今后的麻烦就越小,对产业的贡献越大。”

        据介绍,目前规划做10类场景的测试,未来会向20多类场景的测试,包括商场、机场、大型体育场馆、开放式的大的广场和沙滩,还有高铁在时速200公里到300公里高速移动中的信道。还将进一步测天气变化对信道的影响,比如说雨天、晴天等。这些数据可以让科研人员足不出户,就可以把户外的各种数据拿到,相当于已经做了外场测试,实现“室外测试室内化”。“我们把室外测试的真实场景搬回到实验室中,可以回放数据,这与你拿着设备和终端在现场走一遍基本是一样的。”杨旸说,“如果在路测中发现一个错误,研究人员可以不断地回放来研究这个错误的核心原因。”

推动向高频和更多通道发展


        MIMO并行信道采集与信道仿真平台现在用的频段在6GHz以下,也是我国5G技术研究测试当前的主力频段,杨旸表示希望能够把这个平台测试的数据和模型推进到5G技术研究测试中。

        未来这个平台还会向更多通道和更高频段拓展。杨旸告诉记者,下一步我们希望把8通道测试拓展到64通道,但目前工作还在做,也没有成熟的方案。现在的当务之急是要让业界利用起来测试所得的数据,对这些数据做分析,使之前所做的工作得到业界认可。然后再分析这些信道的数据是否足够充分去了解多信道。“也许64路和8路没有太大差别,因为分辨的精细度已经达到一定程度了,再分辨也没有新的秘密发现,但这也与场景有关,下一步是想把我们的能力提升之后再做对比。”杨旸说。

        杨旸表示,下一步我们也想在频段上向上扩展,达到28G甚至70多G,最终做到100G以内都能覆盖。目前8通道的平台已经搭好,高频扩展主要是在软件、时间精度和数据存储上做能力的提升。“我们在向这个方向努力,但再往下做,就需要业界同仁们来给我们出主意,帮助我们提升平台能力。”抱着一个学者的心态,杨旸对业界发出这样的邀请。